Analysis of Thermal Expansion and Micro-Delamination Phenomenon of Cutting Tool Thin Surface Coatings in High-Speed Dry Machining

Abstract

High-speed machining (HSM) is one of the commonly implemented recent machining technologies in industrial manufacturing operations. It enables higher efficiency and accuracy by reducing production cost and machining cycle times depending on the specific manufacturing operation requirements and demands. Particularly, dry machining is characterised with severe level of temperature and heat generation enters into cutting tools rather than machining with cutting liquid. HSM implementations lead to detrimental effects on tool lifespan resulting in premature cutting tool failure or tool damages. In order to overcome this problem, cutting tool thin surface coatings are applied to reduce the amount of heat transferring into cutting tool to enhance tribological conditions and wear resistance of cutting tools. However, as a result of the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatching of coating layer materials, delamination phenomenon can be observed in coating structures during machining. As outcomes of the study based on the results obtained, total dimensional thermal expansion and micro-delamination of the most appropriate optimised 3-layered coating structure relatively decreased compared to 2-layered coatings, and the necessity of the thermal expansion capacity consideration in coating implementations was revealed for related Finite Element Analysis (FEA) simulations and coating structure designs.

Yüksek-hızlı kesim tekniği (YHK) günümüzde sanayide yaygınca kullanılan bir metal kesme tekniğidir. Üretimin verimliğini arttırırken imalat gereksinimlerine bağlı olarak işlem süresini ve maliyeti düşürür. Özellikle kuru kesim ıslak kesime nazaran, yüksek mertebelerdeki sıcaklık ve kesici takımın içerisine transfer olan ısı oluşumuyla karakterize edilir. Kuru hızlı kesim uygulamaları kesici takımın ömrünün azaltılmasına ve kesici takımda beklenenden erken hasarlara yol açar. Bu sorunun ortadan kaldırılmasıyla ilgili olarak transfer olan ısıyı ve kesici takımın yüzeyinin yenmesini azaltmak aynı zamanda kesici takımın sürtünme durumunu arttırmak için kesici takımlara ince yüzey kaplamaları uygulanır. Ancak metal kesme işlemi boyunca bu yüzey kaplama malzemelerinin termal genleşme değerlerinin farklılığından dolayı katman ayrışması olayı gözlemlenebilir. Buradan hareketle elde edilen sonuçlara dayanarak yapılan çalışmada, 3-katmanlı optimize edilmiş yüzey kaplamasında 2-katmanlı yüzey kaplamalarına nazaran toplam eksenel genleşme ve katman ayrışması azalmıştır. Ayrıca termal genleşme kapasitesi sonlu elemanlar analizlerinde ve çoklu yüzey kaplamaları dizaynlarında göz ardı edilmemesinin gerekliliği ortaya koyulmuştur.